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仇启源：陶瓷刀具市场亟待规范 |
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| http://cn.newmaker.com
5/8/2007 12:18:00 PM
机电商报
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随着现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采用，这给高效切削加工带来了很大的困难。与硬质合金刀具相比，陶瓷刀具因其更优良的耐热耐磨性、高红硬性等特点，在现代切削加工中扮演着越来越重要的角色。
然而目前国内陶瓷刀具的发展究竟处于什么样的阶段，我们对陶瓷刀具未来的发展又应该做些什么，带着这样的疑问，我们采访了清华紫光方大高技术陶瓷有限公司(以下简称“紫光方大”)副总工程师仇启源。他致力于陶瓷刀具研究已有几十年，在向我们说起国内陶瓷刀具的发展历程时他如数家珍，言谈之中又不失风趣。
陶瓷刀具的发展概况
目前国内市场上陶瓷刀具主要有两大类：氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。仇启源介绍道：“氧化铝基陶瓷刀具发展比较早，经过几十年的性能改进和提高，硬度、强度、抗弯性能等都得到了加强；氮化硅基陶瓷刀具则是新一代的陶瓷刀具，具有更强的耐磨性、红硬性、断裂韧性和抗热冲击性，但由于其加工钢件时易扩散或产生化学磨损，现在一般只用于铸铁件的粗加工。”
对于今后的陶瓷刀具将如何在高速切削领域发挥其作用，他进一步解释道：“目前国外陶瓷刀具主要向精加工的方向发展，随着毛坯质量提高，加工余量减少，使用陶瓷刀具可一次完成精加工；我国陶瓷刀具的发展主要是向解决难加工材料的方向发展，利用它完成高速钢刀具、硬质合金刀具等无法解决的加工难题。”
与别的刀具材料相比，陶瓷刀具最显著的缺点就是断裂韧性不足。作为评价其抗破损能力的重要指标之一，陶瓷刀具需要通过适当手段提高其硬度、抗弯强度及断裂韧性，而在进行铣、刨、镗削及其他断续加工时，刀片材料的断裂韧性更为重要。目前国内陶瓷刀具生产企业所采用的主要途径是通过向陶瓷材料中添加ZrO2、TiC、SiC晶须及某些金属等手段增韧，提高刀片的抗冲击能力。
我国陶瓷刀具发展很早，从20世纪50年代起便已经开始。仇启源说：“1958年大跃进时期，那时候我国还没有正规生产陶瓷刀具的工厂，一些工人便到山里选用所谓‘石头刀具’(即天然陶瓷刀具)，这种石头刀具最大的缺陷是质量不稳定，所以一直没有推广起来，而且石头刀具自身硬而脆，加工十分困难。直到新一代合成陶瓷刀具材料出现以后，加上金刚石砂轮在磨削方面的广泛应用，才使陶瓷刀具产业真正发展起来。”
目前我国刀具市场上的陶瓷刀具绝对数量比较少，仅占1%～3%左右，但在轧辊、碴浆泵、矿山机械、轴承、汽车等领域中都得到了广泛应用。
在宝钢和瓦轴提出的轧辊和轴承加工“以车代磨”课题中，紫光方大为其做了一系列刀具材料性能、切削参数的实验对比，最终使用陶瓷刀具切削淬硬钢件及精密铸件，大大降低了生产成本，现在还在这些企业中广泛应用；汽车工业中也不断采用许多难切削工程材料，以提高零部件性能，如含硼、铌等稀土元素的合金铸铁及某些粉末冶金零件或钢铁合金等，在某厂的缸套加工中，采用国产陶瓷刀具替代硬质合金刀具后，切削速度由62m/min提高到332m/min，使生产效率提高了5倍，刀具耐用度也增加了5倍。
用户企业的几个误区
仇启源始终认为每种刀具材料都有其适用的范围，新刀具材料的出现并不能完全取代旧材料的应用，很多旧的刀具材料仍然在不断向前发展，比如高速钢已发展至如今的粉末冶金高速钢。他说：“陶瓷刀的种类、牌号多种多样，选用时需依照加工的机床、待加工件的具体情况来确定陶瓷刀具的几何参数和加工参数，生产中出现新的问题，便需要通过实验来调整确定新的刀具，使用不当，用户企业便容易陷入一些误区。”
第一，由于国际上的CBN技术发展很快，其切削硬度值也高于陶瓷刀具，许多用户企业便习惯认为CBN刀具可以适用于各种加工领域。“事实上，在高硬度材料的高速加工中，CBN刀具使用效果很好，但在切削硬度为HRC50以下的钢件时，CBN刀具因其在加工中不能使工件软化，加工效果、耐磨性等反不如陶瓷刀具，而且陶瓷刀具的使用成本仅为CBN刀具的1/5～1/10。”国内齿轮、军工等行业内的许多工件目前都处于这个加工硬度范围内，在这些领域，使用陶瓷刀具可以一次完成精加工，生产效率可大大提高。
第二，用户企业往往认为国外刀具公司生产的典型陶瓷刀具会普遍适用于各种加工领域，实际上在某些特定的加工领域并不一定适用。上海某厂在一个淬火钢件的加工中，原来使用的是某世界著名刀具企业生产的陶瓷刀片CC650，这是上世纪70年代便已经大规模生产的刀具型号，在世界范围内一度被认为是最好的加工淬火钢的氧化铝系陶瓷刀具，而切削现场的结果对比显示，国产的新一代FD22型号陶瓷刀在加工工件数量及已加工表面质量等方面都优于CC650，而且价格也相对便宜，现在已被该厂大量选用，每月消耗量达1000多片。
第三，一般陶瓷刀具切削普通正火钢的切削速度都是200～300m/min，但一些企业在使用陶瓷刀具时，认为采用较低的切削速度，可以延长刀具的使用寿命，降低生产成本。事实上，采用较低的切削速度会大大降低生产效率。研究表明，在产品的生产成本中，刀具所占份额很低，其消耗成本仅占总成本的4％～5％，但对先进刀具的选用，却能够大幅度降低机床费用，带来的成本收益则远大于刀具的消耗。切削速度、走刀量选择不合适，都会影响陶瓷刀具效率的充分发挥。
另外，为更好利用陶瓷刀片资源，正确选用金刚石砂轮对陶瓷刀具进行重磨也是十分重要的。
陶瓷刀具市场亟待规范
也许正是因为陶瓷刀具的生产过程比较简单，所需设备、技术要求都不太高，而且国内军工等许多行业的产品需求旺盛，一时间国内曾涌现出很多的陶瓷刀具生产企业。
“但真正能够批量、稳定生产的企业却很少，由于缺乏必要的产品研发、市场推广能力，他们平均寿命一般都只有3～5年。”仇启源感慨道，“山东某冶金局曾一度红红火火地进行陶瓷刀具的生产，投资也颇有规模，但在相关组织者离任之后，由于反对的声音很强烈，这项计划便流产了，十分可惜。”在生产企业停止陶瓷刀具生产后，除了给本企业造成生产设备和资源的浪费外，还会给应用陶瓷刀具的企业带来另一个问题，他们经过较长时间的使用，已经适应了这些陶瓷刀具的应用，而今后也只能另寻解决途径，这都将造成严重的资源浪费。
目前，刀具材料的研发与产业化也还存在着很大脱节，国内某些院校的类似科研课题还只是停留在试验阶段。仇启源不无焦虑地说：“很多高校的硕士生、博士生的研究课题就是通过对刀具材料作一些配比，添加或减少某些成分，便研制出若干新的刀具牌号，但鲜有能进入生产领域大量应用的。这样缺乏生产考核环节的研发，不仅是对人力、物力资源的极大浪费，而且也滋生了通过这种手段获取学位、职称的现象。”说到这里，他颇为自豪地向记者介绍：“目前由原国家计委2001年审批的全国惟一的《陶瓷刀具及氮化物制品产业化示范工程》项目——属国家高新技术产业化示范工程，经过5年多的努力，最近已在我公司通过了专家验收。”的确，一旦脱离了产业化和大量生产应用的需求，这些刀具研发投入就没有了意义。
正如仇启源所说，目前国内能够批量稳定生产陶瓷刀具的厂家只有清华紫光方大等少数几家，另外一些硬质合金工具公司如株钻、自贡等的相关部门也进行小批量的生产。
陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具，在生产中有美好的应用前景，已引起世界各国的重视。目前，德国陶瓷刀具的年消耗量占刀具总量的10％，日本的年消耗量也占总量的8％～9％。近几年来，中国陶瓷刀具的发展也十分迅速，品种增加，性能提高。可以预料，随着高速切削、干式切削和硬切削应用的增多，今后必将促进陶瓷刀具的发展与使用。
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